Yeni bir malzeme türü, meslektaşlarım ve benim yeni bir makalede açıkladığımız gibi, değişken sertlikte bağlantılara sahip benzersiz bir kafes yapısı sayesinde beklenmedik kuvvetlerle başa çıkma yeteneğini öğrenebilir ve geliştirebilir .
Küçük, karmaşık bir plastik küpü tutan bir el.
Yeni malzeme, özelliklerini, neyden yapıldığından çok geometrisinden ve tasarımının belirli özelliklerinden alan bir tür mimari malzemedir. Örneğin Velcro gibi cırt cırtlı kumaş kapakları alın. Pamuktan, plastikten veya başka bir maddeden yapılmış olması fark etmez. Bir tarafı sert kancalı bir kumaş ve diğer tarafı kabarık ilmeklere sahip olduğu sürece, malzeme Velcro’nun yapışkan özelliklerini taşıyacaktır.
Meslektaşlarım ve ben, yeni malzememizin mimarisini yapay bir sinir ağı mimarisine dayandırdık – her bir bağlantıya ne kadar önem veya ağırlık verdiklerini değiştirerek görevleri yapmayı öğrenebilen birbirine bağlı düğüm katmanları. Fiziksel düğümlere sahip mekanik bir kafesin, her bir bağlantının sertliğini ayarlayarak belirli mekanik özellikleri üstlenecek şekilde eğitilebileceğini varsaydık.
Mekanik bir kafesin yeni özellikler – yeni bir şekil almak veya yönsel kuvveti değiştirmek gibi – benimseyip koruyamayacağını öğrenmek için bir bilgisayar modeli oluşturarak başladık. Daha sonra malzeme ve giriş kuvvetleri için istenen şekli seçtik ve giriş kuvvetlerinin istenen şekli üretmesi için bir bilgisayar algoritmasına bağlantıların gerilimlerini ayarlattık. Bu eğitimi 200 farklı kafes yapısı üzerinde yaptık ve test ettiğimiz tüm şekillere ulaşmak için üçgen bir kafesin en iyisi olduğunu gördük.
Bir dizi görevi gerçekleştirmek için birçok bağlantı ayarlandıktan sonra, malzeme istenen şekilde tepki vermeye devam edecektir. Eğitim – bir anlamda – malzemenin yapısında hatırlanır.
Daha sonra üçgen bir kafes içinde düzenlenmiş ayarlanabilir elektromekanik yaylara sahip fiziksel bir prototip kafes oluşturduk. Prototip 6 inçlik bağlantılardan yapılmıştır ve yaklaşık 2 fit uzunluğunda ve 1½ fit genişliğindedir. Ve işe yaradı. Kafes ve algoritma birlikte çalıştığında, malzeme farklı kuvvetlere maruz kaldığında belirli şekillerde şekil öğrenip değiştirebildi. Bu yeni malzemeye mekanik sinir ağı diyoruz.
neden önemli
Bazı canlı dokuların yanı sıra , çok az malzeme beklenmedik yüklerle daha iyi başa çıkmayı öğrenebilir. Aniden şiddetli bir rüzgar alan ve beklenmedik bir yöne gitmeye zorlanan bir uçak kanadı hayal edin. Kanat o yönde daha güçlü olmak için tasarımını değiştiremez.
Tasarladığımız prototip kafes malzemesi değişen veya bilinmeyen şartlara uyum sağlayabiliyor. Örneğin bir kanatta bu değişiklikler, iç hasarın birikmesi, kanadın bir gemiye bağlanma biçimindeki değişiklikler veya dalgalanan dış yükler olabilir. Mekanik sinir ağından yapılmış bir kanat bu senaryolardan birini her deneyimlediğinde, yön kuvveti gibi istenen nitelikleri korumak için bağlantılarını güçlendirebilir ve yumuşatabilir. Zamanla, algoritma tarafından yapılan ardışık ayarlamalar yoluyla, kanat yeni özellikleri benimser ve korur, her davranışı bir tür kas hafızası olarak geri kalanına ekler.
Bu tür malzemeler, inşa edilmiş yapıların uzun ömürlülüğü ve verimliliği için geniş kapsamlı uygulamalara sahip olabilir. Mekanik sinir ağı malzemesinden yapılmış bir kanat sadece daha güçlü olmakla kalmayıp, aynı zamanda etrafındaki değişen koşullara yanıt olarak yakıt verimliliğini en üst düzeye çıkaran şekillere dönüşmek üzere eğitilebilir.
Hala bilinmeyen ne
Şimdiye kadar ekibimiz sadece 2B kafeslerle çalıştı. Ancak bilgisayar modellemesini kullanarak, 3B kafeslerin öğrenme ve uyum için çok daha büyük bir kapasiteye sahip olacağını tahmin ediyoruz. Bu artış, 3 boyutlu bir yapının birbiriyle kesişmeyen onlarca kat daha fazla bağlantıya veya yaylara sahip olabilmesinden kaynaklanmaktadır. Ancak, ilk modelimizde kullandığımız mekanizmalar, büyük bir 3B yapıda desteklenemeyecek kadar karmaşık.
Sıradaki ne
Meslektaşlarım ve benim oluşturduğumuz materyal, bir kavram kanıtıdır ve mekanik sinir ağlarının potansiyelini gösterir. Ancak bu fikri gerçek dünyaya taşımak, tek tek parçaların nasıl daha küçük ve kesin esneme ve gerilme özelliklerine sahip hale getirileceğini bulmayı gerektirecektir.
Mikron ölçeğinde malzeme üretimine yönelik yeni araştırmaların yanı sıra ayarlanabilir sertliğe sahip yeni malzemeler üzerinde yapılan çalışmaların , mikron ölçeğinde öğeler ve yoğun 3B bağlantılar içeren güçlü akıllı mekanik sinir ağlarını her yerde hazır ve nazır bir gerçeklik haline getiren ilerlemelere yol açacağını umuyoruz. yakın gelecek.